La glucocinasa hexocinasa humana IV, hexocinasa D, i lATP D-hexosa 6-fosfotransferasa, (anteriorment ). El nom comú, glucocinasa, deriva de la seva especificitat relativa amb la glucosa en condicions fisiològiques. Es tracta d'un enzim que facilita la fosforilació de la glucosa en glucosa 6 fosfat. Es troba a les cèl·lules del fetge, el pàncrees, l'intestí i el cervell dels éssers humans i d'altres vertebrats. A cada un d'aquests òrgans té un paper important en la regulació del metabolisme dels hidrats de carboni, actuant com un sensor de glucosa, provocant canvis en el metabolisme o la funció de les cèl·lules en resposta a l'augment o disminució dels nivells de glucosa, com succeeix després d'un dinar o en dejú. Les mutacions del gen d'aquest enzim poden causar formes inusuals de la diabetis o hipoglucèmia.
La glucocinasa (GK) és un isoenzim de l'hexocinasa, relacionades homòlogament i per l'evolució d'almenys unes altres tres hexocinases. Totes les hexocinases poden intervenir en la fosforilació de la glucosa a glucosa 6 fosfat (G6P), que és el primer pas de la síntesi de glicogen i la glucòlisi. Tanmateix, la glucocinasa és codificada per un gen separat i les seves propietats cinètiques distintives li permeten servir un conjunt diferent de funcions. La glucocinasa té una afinitat més petita per la glucosa que altres hexocinases, i és activa en uns pocs tipus de cèl·lulars, deixant les altres tres hexocinases com els preparadors més importants de glucosa per a la glicòlisi i la síntesi de glicogen per a la majoria dels teixits i òrgans. A causa d'aquesta afinitat reduïda, l'activitat de la glucocinasa, en condicions fisiològiques habituals, varia substancialment d'acord amb la concentració de glucosa.
Nomenclatura Alguns bioquímics han argumentat que el nom glucocinasa ha de ser abandonat, ja que aquest enzim pot fosforilar altres hexoses en les condicions adequades, i són parents llunyans dels enzims dels bacteris. No obstant això, la glucocinasa continua sent el nom preferit en el context de la medicina i la fisiologia dels mamífers.
Una altra cinasa de la glucosa en els mamífers,l'ADP-glucocinasa específica, va ser descoberta el 2004. Aquesta cinasa depèn de l'ADP en lloc de l'ATP (el que suggereix la possibilitat de tenir una funció més eficaç durant la hipòxia), i la funció metabòlica i la importància encara queden per dilucidar.
Catàlisi Substrats i productes El substrat principal que dona importància fisiològica a la glucocinasa és la glucosa i el producte més important és la glucosa-6-fosfat (G6P). L'altre substrat necessari en el que intervé la glucocinasa, del qual es deriva el fosfat, és l'ATP, que es converteix en adenosin difosfat d'adenosina (ADP) quan es treu el grup fosfat. La reacció catalitzada per la glucocinasa.
miniatura|Acció de la glucocinasa en la glucosa
L'ATP participa en la reacció formant un complex amb el magnesi (Mg), que actua com a cofactor. A més, en determinades condicions, la glucocinasa, com altres hexocinases, pot induir la fosforilació d'altres hexoses (sucres de 6 carbonis) i molècules similars. Per tant, la reacció general de la glucocinasa és més exacte descriure-la com:
Hexosa + MgATP2-→ hexosa-PO₃2- + MgADP- + H+
Entre les hexoses que actuen com substrats hi ha la manosa, la fructosa, i la glucosamina, però l'afinitat de la glucocinasa sobre aquests requereix una concentració que no trobam en les cèl·lules.
Cinètica enzimàtica La glucocinasa té dues propietats cinètiques que la distingeix de les altres hexocinases, que li permet actuar com un sensor de la glucosa. La glucocinasa té una afinitat menor per la glucosa que les altres hexocinases. La glucocinasa canvia la seva conformació i/o funció i es produeix l'augment de les concentracions de glucosa en un important rang fisiològic de 4/10 mmol / L (72-180 mg / dl). Es troba mig saturat en una concentració de glucosa al voltant de 8 mmol / L (144 mg / dl). La glucocinasa no és inhibida pel seu producte, la glucosa-6-fosfat. Això permet un senyal de sortida continu (per exemple, desencadenar l'alliberament d'insulina) enmig d'importants quantitats del seu producte.
Aquestes dues característiques permeten la regulació d'algunes vies metabòliques. És a dir, la velocitat de reacció és impulsada pel subministrament de glucosa, no per la demanda de productes finals.
Una altra característica distintiva de la glucocinasa és la seva cooperativitat moderada amb la glucosa, amb un coeficient de Hill (NH) del voltant d'1,7. La glucocinasa només té un únic lloc d'unió per la glucosa i és l'únic enzim regulador monomèric conegut per mostrar la cooperativitat del substrat. La naturalesa de la cooperativitat implica una "lenta transició" entre dos estats diferents de l'enzim amb diferents taxes d'activitat. Si l'estat dominant depèn de la concentració de glucosa, es produiria una cooperativitat aparent similar a l'observada.
A causa d'aquesta cooperativitat, la interacció cinètica de la glucocinasa amb la glucosa no segueix la clàssica cinètica de Michaelis-Menten. En lloc de parlar d'una km de la glucosa, és més exacte descriure un nivel de mitjà saturació de S0,5, que és la concentració en la qual l'enzim es troba un 50% saturat i actiu.
La S0,5 i l'nH s'extrapola a un punt d'inflexió de la corba que descriu l'activitat enzimàtica en funció de la concentració de glucosa al voltant de 4 mmol / L. En altres paraules, en una concentració de glucosa al voltant de 72 mg / dl, que és prop de l'extrem inferior del rang normal, l'activitat de la glucocinasa és més sensible a petits canvis en la concentració de glucosa.
La relació cinètica amb un altre substrat, l'MgATP, pot ser descrita per la cinètica clàssica de Michaelis-Menten, amb una afinitat aproximada de 0,3 - 0,4 mmol / L, molt per sota de la concentració intracel·lular pròpia de 2,5 mmol / L. El fet que gairebé sempre hi ha un excés d'ATP a disposició implica que la concentració d'ATP rarament influeix en l'activitat de la glucocinasa.
L'activitat específica màxima (kcat, també conegut com l'índex de rotació), de la glucocinasa quan se satura amb els dos substrats és de 62 / s.
S'ha elaborat un model matemàtic mínim sobre la base de la informació cinètica per predir la taxa de fosforilació de la glucosa en les cèl·lules beta quan actua la glucocinasa normal ("tipus salvatge") i les seves mutacions conegudes. Aquesta taxa és d'aproximadament 28% a una concentració de glucosa de 5 mmol / l, indicant que l'enzim funciona a un 28% de la seva capacitat per provocar l'alliberament d'insulina.
Mecanisme Els grups sulfidril d'algunes cisteïnes envolten el lloc d'unió amb la glucosa. Tots excepte en la Cisteïna 230 són essencials per al procés catalític, formant múltiples ponts disulfur durant la interacció amb els substrats i els reguladors. Al final en les cèl·lules beta, la taxa de glucocinases actives i inactives ve determinada parcialment pel balanç d'oxidació dels grups sulfidril o de la reducció dels ponts disulfur. Aquests grups sulfidril són sensibles a l'estat d'oxidació de les cèl·lules, fent de la glucocinasa un dels components més vulnerables a l'estrès oxidatiu, especialment en les cèl·lules beta.
Estructura La glucocinasa és una proteïna monomèrica de 465 aminoàcids i d'un pes molecular d'uns 50 KDaltons. Té dues zones i, indispensables. La primera és el centre actiu que permet la interacció de la glucocinasa amb l'MgATP i l'altre és un activador al·lostèric que encara no ha estat identificat. Això és aproximadament la meitat de la mida de les altres hexocinases dels mamífers, que conserven un cert grau d'estructura dimèrica. Algunes seqüències i l'estructura tridimensional dels centres actius. El lloc d'unió a l'ATP, per exemple, és compartit amb hexocinases, glucocinases bacterianes i altres proteïnes.
Genètica La glucocinasa humana és codificada pel gen GCK al cromosoma 7. Aquest gen autosòmic té 10 exons. Els gens de la glucocinasa en altres animals són homòlegs al gen GCK humà. Una característica distintiva d'aquest gen és que comença amb dos regions promotores. El primer exó de l'extrem 5' conté dues regions promotores per teixits específics. La transcripció pot començar per qualsevol promotor (depenent del teixit). Per tant, un mateix gen pot produir una molècula lleugerament diferent en el fetge i en altres teixits. Les dues isoformes de la glucocinasa difereixen només en 13 o 15 aminoàcids en l'extrem N-terminal de la molècula, que produeix una mínima diferència en la seva estructura. Les dues isoformes tenen les mateixes característiques cinètiques i funcionals. El primer promotor de l'extrem 5', conegut com a promotor neuroendocrí, s'activa en les cèl·lules dels illots pancreàtics, del teixit nerviós i en els enteròcits (cèl·lules de l'intestí prim) per produir la isoforma neuroendocrina de la glucocinasa. El segon promotor, el promotor del fetge, s'activa en els hepatòcits i dirigeix la producció de la isoforma hepàtica. Els dos promotors tenen poca o cap homologia en la seqüència i estan separats per un fragment d'uns 30KBP de funció desconeguda. Els dos promotors són funcionalment exclusius i són dirigits separadament en els diferents tipus de teixits. Els dos promotors corresponen a dues àmplies categories de la funció de la glucocinasa: En el fetge, la glucocinasa actua com a porta d'enllaç per al "bulk processing" de la glucosa disponible, mentre que en les cèl·lules neuroendocrines, actua com un sensor, provocant respostes cel·lulars que afecten el metabolisme d'alguns carbohidrats.
Distribució entre sistemes d'òrgans La glucocinasa s'ha trobat en cèl·lules específiques en quatre tipus de teixits dels mamífers: fetge, pàncrees, intestí prim i cervell. Tots tenen un paper molt important en la tasca d'augmentar o reduir els nivells de glucosa en la sang. Les cèl·lules predominants en el fetge són els hepatòcits, i la glucocinasa es troba exclusivament en aquestes cèl·lules. Durant la digestió d'un àpat ric en hidrats de carboni, la glucosa en sang és abundant i els nivells d'insulina són alts, de forma que els hepatòcits han d'eliminar la glucosa de la sang i emmagatzemar-la en forma de glicogen. Una vegada completades la digestió i l'absorció, el fetge fabrica glucosa a partir de la gluconeogènesi i la glucogenòlisi, i l'allibera a la sang, mantenint així els nivells de glucosa durant el dejuni. A causa del fet que l'activitat de la glucocinasa augmenta si s'eleva la concentració de glucosa, això serveix d'interruptor metabòlic central per canviar el metabolisme dels hidrats de carboni entre l'alimentació i els estats de dejuni. La fosforilació de la glucosa a glucosa-6-fosfat facilita l'emmagatzematge de la glucosa en forma de glucogen i la disposició d'ella per a la glicòlisi. El promotor del fetge separat permet que la glucocinasa sigui regulada diferentment en hepatòcits i en les cèl·lules neuroendocrines. Les cèl·lules neuroendocrines del pàncrees, l'intestí i el cervell comparteixen alguns aspectes comuns en la producció de la glucocinasa, de la seva regulació i la seva funció. Aquests teixits es coneixen com a cèl·lules neuroendocrines en aquest context. cèl·lules beta o cèl·lules alfa i les cèl·lules dels illots pancreàtics: Les cèl·lules beta alliberen insulina en resposta a un augment en els nivells de glucosa. La insulina permet que molts tipus de cèl·lules importin i utilitzin la glucosa, i actua com a senyal en el fetge per a sintetitzar glicogen. Les cèl·lules alfa produeixen menys glucagó en resposta a un increment en els nivells de glucosa i més si aquest nivell és baix. El glucagó actua com un senyal al fetge per descompondre el glicogen i alliberar la glucosa a la sang. La glucocinasa en les cèl·lules beta serveix com a sensor de glucosa, amplificant la secreció d'insulina mentre el nivell de glucosa en sang augmenta. Neurones sensibles a la glucosa de l'hipotàlem